KR102359219B1 - 선박용 하이브리드 전기추진시스템 - Google Patents

선박용 하이브리드 전기추진시스템 Download PDF

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KR102359219B1 KR1020210153824A KR20210153824A KR102359219B1 KR 102359219 B1 KR102359219 B1 KR 102359219B1 KR 1020210153824 A KR1020210153824 A KR 1020210153824A KR 20210153824 A KR20210153824 A KR 20210153824A KR 102359219 B1 KR102359219 B1 KR 102359219B1
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김종수
전현민
김성완
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한국해양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 에너지 최적제어를 위한 선박용 하이브리드 전기추진시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 지수 α에 따른 복수의 제어모드 설정을 통해 새로운 규칙기반 제어를 제시하고 시스템 용량을 반영한 규칙기반 제어 결과값을 신경회로망에 학습하여 불특정 전부하영역에서도 시스템의 안정적인 제어가 가능한 선박용 하이브리드 전기추진시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 전력을 생산하여 출력하는 적어도 하나의 발전부; 충전된 전력을 공급하는 배터리; 상기 발전부 및 배터리로부터 필요 전력을 공급받아 추진모터로 공급하는 인버터; 및 상기 필요 전력을 상기 발전부 및 배터리에 분배하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 선박의 추진모터 요구 부하량 및 배터리 충전상태인 배터리 SOC를 기초로 복수의 제어모드 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 제어 모드를 기초로 상기 발전부 및 배터리의 전력 분담설정에 위한 규칙기반 제어 결과값을 산출하여 상기 발전부 출력을 제어한다.

Description

선박용 하이브리드 전기추진시스템{Hybrid electric propulsion system for ships}
본 발명은 에너지 최적제어를 위한 선박용 하이브리드 전기추진시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 지수 α에 따른 복수의 제어모드 설정을 통해 새로운 규칙기반 제어를 제시하고 시스템 용량을 반영한 규칙기반 제어 결과값을 신경회로망에 학습하여 불특정 전부하영역에서도 시스템의 안정적인 제어가 가능한 선박용 하이브리드 전기추진시스템에 관한 것이다.
선박은 설계방법, 사용기기, 시간경과 등에 따라 선박의 에너지 관리에 있어서 최적제어 방법이 달라진다. 설계방법에 따라서 선박 발전원의 용량과 효율이 달라지고, 상호 영향을 미치는 기기들은 용량에 따라 사용범위가 한정되는데, 시간경과에 따른 기기 노후화로 인하여 기기들의 용량은 또다시 달라지게 되므로, 초기 설정된 제어알고리즘은 최적 설계방법에 맞지 않게 된다.
그리고 최근 많이 적용되고 있는 선박용 머신러닝 최적제어알고리즘은 해당 선박이 아닌 타 선박에서 계측된 데이터로부터 도출되는 결과만을 제시하므로, 해당선박에서의 구체적인 적용과정에서 심각한 오류를 발생시키거나, 기기 안정성을 해칠 우려가 높다.
아울러 지금까지 선박 전체의 에너지 관리 관점에서의 연구개발은 많이 이루어졌으나, 선박 추진시스템용 에너지 관리시스템 연구는 미비한 실정이어서, 기존 전력관리시스템의 기능에서 배터리, 연료전지 등의 사용을 통한 종합적인 에너지 관리시스템으로의 변화를 통해 연구 수요가 증대하고 있다.
이러한 효율적인 에너지 관리시스템은 에너지 사용 효율을 향상시킬 뿐만아니라 배출가스 저감을 통해 환경 오염을 감소시킬 수 있게 된다.
아직까지 육상용 에너지 관리시스템에 관한 연구 및 신경회로망을 적용한 다양한 연구는 활발하나, 신경회로망을 적용한 선박용 에너지 관리시스템 연구는 극히 제한적이어서 친환경 선박의 건조 수요 증가와 EEXI 요건의 만족하여야 하는 종합적인 제반 여건을 고려한다면 선박용 에너지 관리시스템의 효율적인 방안이 제안되어야 할 것이며, 특히 선박 추진시스템용 에너지 관리시스템의 개선이 절실한 실정이다.
한국공개특허 제10-2019-0105149호 (공개일자 2019.09.16)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 지수 α에 따른 제어모드 설정을 통해 새로운 규칙기반 제어를 제시하고 시스템 용량을 반영한 규칙기반제어 결과값을 신경회로망에 학습하여 불특정 전부하영역에서도 시스템의 안정적인 제어가 가능하도록 함으로써 에너지 소비를 최소화하여 연료소모량 및 배출가스를 저감할 수 있는 선박용 하이브리드 전기추진시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 전력을 생산하여 출력하는 적어도 하나의 발전부; 충전된 전력을 공급하는 배터리; 상기 발전부 및 배터리로부터 필요 전력을 공급받아 추진모터로 공급하는 인버터; 및 상기 필요 전력을 상기 발전부 및 배터리에 분배하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 선박의 추진모터 요구 부하량 및 배터리 충전상태인 배터리 SOC를 기초로 복수의 제어모드 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 제어 모드를 기초로 상기 발전부 및 배터리의 전력 분담설정에 위한 규칙기반 제어 결과값을 산출하여 상기 발전부 출력을 제어한다.
여기서 상기 발전부는 회전력을 생산하는 제1엔진 및 제2엔진과, 상기 제1엔진의 회전력을 통해 전력을 생산하여 출력하는 제1발전기와, 상기 제2엔진의 회전력을 통해 전력을 생산하여 출력하는 제2발전기를 포함한다.
또한 상기 복수의 제어모드는 상기 배터리의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 배터리모드와, 제1발전기 및 제2발전기 중 어느 하나의 소정 출력과 상기 배터리의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 경부하모드와, 상기 제1발전기 및 제2발전기의 소정 출력과 상기 배터리의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 중부하모드 및 상기 제1발전기 및 제2발전기의 최대 출력과 상기 배터리의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 최대출력모드를 포함한다.
아울러 상기 제어부는, 상기 요구 부하량인 P_load, 상기 배터리 SOC에 따른 배터리 충전 전력인 P_batt 및 기설정된 상기 제1엔진 및 제2엔진의 최대 출력인 G_max에 기초하여 상기 복수의 제어모드 중 어느 하나를 선택한다.
또한 상기 제어부는 지수 α에 따라 상기 복수의 제어모드 중 어느 하나를 선택하되,
Figure 112021129558221-pat00001
이며, 상기 제어부는 -P_batt_max ≤α< G_min 인 경우 배터리모드를 선택하고, 제1엔진과 제2엔진의 출력을 정지시키고 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어한다.(여기서 상기 P_batt_max는 배터리의 최대 충전전력, 기설정된 G_min은 제1엔진 및 제2엔진의 최소 출력)
아울러 상기 제어부는 G_min ≤ α < G_max 인 경우 경부하모드를 선택하고, 제2엔진은 정지시키고 제1발전기의 출력은 α가 되도록 제1엔진의 출력을 제어하며, 제1발전기의 출력과 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어한다.
또한 상기 중부하모드는 G_max ≤ α < G1_opt + G2_opt인 제1중부하모드와, G1_opt + G2_opt ≤ α < G1_max + G2_max인 제2중부하모드를 포함한다.(여기서 상기 G1_opt 및 G2_opt는 각각 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최적 출력, G1_max 및 G2_max는 각각 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최대 출력)
아울러 상기 제어부는 G_max ≤ α < G1_opt + G2_opt인 경우 제1중부하모드제어모드를 선택하고, 상기 제1엔진의 출력은 G1_opt으로 제어하며, 상기 제2엔진의 출력은
Figure 112021129558221-pat00002
으로 제어하고, 상기 제1발전기 및 제2발전기의 출력과 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어한다.(여기서 상기 P_G1_opt는 제1엔진의 출력이 G1_opt일 때 제1발전기의 출력)
또한 상기 제어부는 G1_opt + G2_opt ≤ α < G1_max + G2_max인 경우 제2중부하모드를 선택하고, 제1엔진 및 제2엔진의 출력은
Figure 112021129558221-pat00003
으로 제어하며, 제1발전기 및 제2발전기의 출력과 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어한다.
아울러 상기 제어부는 G1_max + G2_max ≤ α 인 경우 최대출력모드를 선택하고, 제1엔진 및 제2엔진의 출력은 각각 G1_max 및 G2_max로 제어하며, 제1발전기 및 제2발전기의 출력과 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어한다.
또한 상기 제어부는 상기 요구 부하량 및 배터리 SOC와, 제1발전기 및 제2발전기의 출력에 대한 규칙기반 제어 결과값을 각각 입력패턴과 출력패턴으로 하여 신경회로망에 학습시킨 신경회로망 모델을 포함하고, 상기 신경회로망 모델에 기초하여 요구 부하량 및 배터리 SOC별 제1발전기와 제2발전기의 출력 지령값을 산출하고, 산출된 상기 출력 지령값에 기초하여 상기 제1발전기 및 제2발전기의 출력을 제어한다.
본 발명에 따르면 선박 부하 및 배터리 SOC 입력 값에 따른 부하분담이 아닌 지수 α에 따른 복수의 제어모드를 설정하여 새로운 규칙기반 제어를 제시하고 이를 통한 규칙기반 제어 결과값을 신경회로망에 학습시킴에 따라 불특정 전부하영역에서도 시스템의 안정적인 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.
이에 따라 에너지 소비가 최소화됨은 물론 연료소모량 및 배출가스를 저감하여 환경 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선박용 하이브리드 전기추진시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 요구 부하와 배터리 SOC별 부하모드와 전력 분담설정을 규정하는 규칙기반 제어 기준을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 규칙기반 제어를 통해 요구 부하와 배터리 SOC별 발전기 전력 분담지형을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 신경회로망 제어기의 요구 부하별 예측치와 Matlab/simulink를 이용한 결과치를 비교한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선박용 하이브리드 전기추진시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 요구 부하와 배터리 SOC별 부하모드와 전력 분담설정을 규정하는 규칙기반 제어 기준을 나타내는 도면이다.
또한 도 3은 도 2에 따른 규칙기반 제어를 통해 요구 부하와 배터리 SOC별 발전기 전력 분담지형을 나타내는 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 신경회로망 제어기의 요구 부하별 예측치와 Matlab/simulink를 이용한 결과치를 비교한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 선박용 하이브리드 전기추진시스템(1000)은 크게 전력을 생산하여 출력하는 적어도 하나의 발전부(100)와, 충전된 전력을 공급하는 배터리(200)와, 상기 발전부(100) 및 배터리(200)로부터 필요 전력을 공급받아 추진모터로 공급하는 인버터(300) 및 상기 필요 전력을 상기 발전부(100) 및 배터리(200)에 분배하는 제어부(400)로 구성된다.
여기서 상기 발전부(100)는 회전력을 생산하는 제1엔진(111) 및 제2엔진(121), 상기 제1엔진(111)의 회전력을 통해 전력을 생산하여 출력하는 제1발전기(110)와, 상기 제2엔진(121)의 회전력을 통해 전력을 생산하여 출력하는 제2발전기(120)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에서는 추진모터(M)의 필요 전력을 공급하기 위한 발전부(100)가 제1발전기(110)와 제2발전기(120)로 구성하였으나, 필요에 따라 하나의 발전기 또는 3개소 이상의 발전기로 구성할 수 있다.
또한 상기 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)는 상기 제어부(400)의 전력 분담설정에 따라 출력이 제어되며 각각 제1엔진(111)과 제2엔진(121)의 출력 제어를 통해 상기 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력이 제어되게 된다.
아울러 본 발명은 일실시예에 따라 추진모터(M)에 공급되는 필요 전력의 공급원으로 제1발전기(110), 제2발전기(120) 및 배터리(200)를 채택하였으나, 설정에 따라 필요 전력의 공급원으로 연료전지 또는 슈퍼커패시터 등으로 일부를 대체하거나 추가 구성될 수 있음은 물론이다 .
한편 상기 배터리(200)는 현재 배터리 충전상태인 배터리 SOC(State of Charge)에 따라 충전 전력을 필요 전력으로 인버터(300)에 공급하게 된다.
이와 같은 상기 발전부(100)의 출력 및 배터리(200)의 충전 전력은 인버터(300)로 공급되기 전 컨버터(도면 미표시)에서 AC/DC(교류-직류) 변환 또는 DC/DC(직류-직류) 변환 과정을 수행하고 변환된 직류 전력이 인버터(300)로 공급됨은 물론이다.
또한 상기 발전부(100)의 출력을 컨버터에서 AC/DC 변환 후 이를 평활화하기 위한 평활부(도면 미표시)가 병렬 연결될 수 있다.
한편 상기 제어부(400)는 상기 추진모터(M)의 요구 부하량에 따른 필요 전력을 상기 발전부(100) 및 배터리(200)에 분배 제어하게 되는데, 이러한 분배 제어는 선박의 추진모터 요구 부하량 및 배터리 SOC에 따라 달리 설정되어야 하며, 이를 최적화하여 제어하기 위해 본 발명의 일실시예에서는 상기 요구 부하량 및 배터리 SOC를 기초로 복수의 제어모드를 분류하고, 해당 제어모드별로 상기 발전부(100) 및 배터리(200)의 전력 분담설정에 위한 규칙기반 제어 결과값을 산출한다.
전술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따라 상기 발전부(100)가 제1발전기(110)와 제2발전기(120)로 구성됨에 따라 상기 규칙기반 제어 결과값은 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력 즉, 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 출력에 대한 제어 결과값이다.
이는 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력이 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 출력에 의해 결정되므로 제어부(400)가 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 출력을 제어함으로써 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력을 제어하게 되는 것이다 .
기존에는 단순히 선박의 추진모터 요구 부하량 및 배터리 SOC에 따라 규칙기반 제어를 통해 각 발전기의 전력 분담설정을 수행하였으나, 본 발명의 일실시예서는 요구 부하량 및 배터리 SOC를 기초로 복수의 제어모드를 설정하고, 각 제어모드별로 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 출력을 별도로 지정함에 따라 규칙기반 제어를 수행하게 된다.
이와 같은 본 발명의 복수 제어모드는 상기 배터리(200)의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 배터리모드와, 제1발전기(110) 및 제2발전기(120) 중 어느 하나의 소정 출력과 상기 배터리(200)의 충전 전력을 필요 전력으로 공급하는 경부하모드와, 상기 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 소정 출력과 상기 배터리(200)의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 중부하모드 및 상기 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 최대 출력과 상기 배터리(200)의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 최대출력모드로 구성된다.
본 발명의 일실시예에서는 제어부(400)가 요구 부하량 및 배터리 SOC를 기초로 상기 복수의 제어모드 중 어느 하나를 선택하게 되는데, 이를 선택하기 위한 기준으로 지수 α을 이용한다.
상기 지수 α은 상기 요구 부하량인 P_load, 상기 배터리 SOC에 따른 배터리 충전 전력인 P_batt 및 기설정된 상기 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 최대 출력인 G_max에 기초하여 설정되는 관계식으로 본 발명의 일실시예에서는
Figure 112021129558221-pat00004
으로 정의된다 .
이에 따라 상기 제어부(400)는 도 2에 도시된 바와 같이 -P_batt_max ≤α< G_min 인 경우 배터리모드를 선택하고, G_min ≤ α < G_max 인 경우 경부하모드를 선택하며, G_max ≤ α < G1_opt + G2_opt인 경우 제1중부하모드를 선택하고, 1_opt + G2_opt ≤ α < G1_max + G2_max인 경우 제2중부하모드를 선택하며, G1_max + G2_max ≤ α인 경우 최대출력모드를 선택하게 된다.
여기서 상기 P_batt_max는 배터리의 최대 충전전력, 상기 G_min은 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최소 출력, 상기 G1_opt 및 G2_opt는 각각 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최적 출력, 상기 G1_max 및 G2_max는 각각 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최대 출력이다.
본 발명의 일실시예에서는 G_min은 29%, G1_opt 및 G2_opt는 75%, G1_max 및 G2_max는 100%로 설정하였다.
이와 같은 G_min, G1_opt, G2_opt, G1_max 및 G2_max는 설정에 따라 달라질 수 있으며 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
이에 따라 상기 배터리모드는 -P_batt_max ≤α< G_min일 경우 제어부(400)가 선택하게 되는데, 이때 제어부(400)는 제1엔진(111)과 제2엔진(121)의 출력을 0, 즉 제1엔진(111)과 제2엔진(121)의 구동을 정지시켜 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력을 0로 하고, 추진모터(M)의 필요전력은 배터리의 충전 전력으로 공급되도록 제어하게 된다.
이러한 배터리모드는 지수 α가 G_min보다 작아 선박의 요구 부하량이 적은 경우에 해당되므로 필요 전력은 배터리(200)의 충전 전력으로 충분히 공급될 수 있다.
따라서 이 경우 제1엔진(111)과 제2엔진(121)의 구동을 정지시켜 에너지 사용을 최소화한다.
한편 상기 경부하모드는 제어부(400)가 G_min ≤ α < G_max 인 경우에 선택하는 것으로, 선박의 요구 부하량이 배터리모드보다는 크지만 후술할 중부하모드보다는 작은 경우이다.
이에 따라 제어부(400)는 제1엔진(111) 또는 제2엔진(121) 중 어느 하나만 구동시키되 구동되는 엔진을 통한 발전기의 출력은 α가 되도록 엔진의 출력을 제어한다.
전술한 바와 같이
Figure 112021129558221-pat00005
이고, G_max의 설정값을 100%로 함에 따라
Figure 112021129558221-pat00006
이다. 따라서 제2엔진(121)을 중지시키고, 제1엔진(111)을 구동시킬 경우, 제1발전기(110)의 출력은 α, 즉 요구 부하량(P_load)에서 배터리(200)의 충전 전력을 차감한 전력값이다.
본 실시예에서는 이와 같은 제1엔진(111)의 출력에서와 같이 최소 출력 25%와 최대 출력 100% 사이의 구간을 G_var로 정의하는데, 경부하모드에서는 이와 같은 제1엔진(111)의 출력이 G_var로 표현될 수 있다.
한편 상기 중부하모드는 G_max ≤ α < G1_opt + G2_opt인 제1중부하모드와, G1_opt + G2_opt ≤ α < G1_max + G2_max인 제2중부하모드로 구성되는데, 제어부(400)는 G_max ≤ α < G1_opt + G2_opt인 경우 제1중부하모드를 선택하고, 상기 제1엔진(111)의 출력은 G1_opt(75%)으로 제어하며, 상기 제2엔진(121)의 출력은
Figure 112021129558221-pat00007
으로 제어한다.
여기서 상기 P_G1_opt는 제1엔진의 출력이 G1_opt일 때 제1발전기의 출력이다.
물론 상기 제1엔진(111)의 출력을
Figure 112021129558221-pat00008
으로 제어하고, 제2엔진(121)의 출력을 G1_opt(75%)으로 제어할 수도 있을 것이다 .
이에 따라 제1중부하모드에서는 상기 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력과 배터리의 충전 전력 모두가 추진모터(M)의 필요 전력이 공급되게 된다 .
아울러 상기 제어부(400)는 G1_opt + G2_opt ≤ α < G1_max + G2_max인 경우 제2중부하모드를 선택하고, 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 출력은
Figure 112021129558221-pat00009
으로 제어하는데, 이에 따라 전술한 제1중부하모드와 마찬가지로 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력과 배터리의 충전 전력 모두를 추진모터의 필요 전력으로 공급한다.
한편 상기 제어부(400)는 G1_max + G2_max ≤ α 인 경우 최대출력모드를 선택하는데, 이러한 최대출력모드는 선박의 부하 요구량이 높으면서 배터리의 SOC는 낮을 경우에 해당되며, 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 출력을 각각 G1_max 및 G2_max로 제어하고, 제1발전기 및 제2발전기의 출력과 배터리의 충전 전력 모두를 추진모터의 필요 전력으로 공급한다.
이와 같은 복수의 제어모드와 지수 α를 통해 도 3과 같은 발전기 전력 분담지형을 도출할 수 있다.
상기 도 3은 부하 요구량과 배터리의 SOC별 제1엔진(111)과 제2엔진(121)의 출력을 나타낸 것이다.
본 발명의 일실시예에서는 이와 같은 지수 α을 통한 복수의 제어모드와 해당 제어모드별 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 출력 제어를 규칙기반 제어방식으로 도출한다.
이와 같은 규칙기반 제어에도 특정 부하 요구량과 특정 배터리 SOC에 따른 각 발전기 전력분담 지령 즉, 각 엔진의 출력 지령만 존재할 뿐 실시간 변하는 설정이외의 값은 지령에 반영할 수 없는 한계가 있으므로 본 발명의 일실시예에서는 도 2의 규칙기반 제어 결과값을 신경회로망에 학습시킴으로써 규칙기반 제어 설정이외의 값에서도 시스템이 원활하고 정확하게 동작되도록 한다.
이에 따라 상기 제어부(400)는 상기 요구 부하량 및 배터리 SOC와, 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력에 대한 규칙기반 제어 결과값을 각각 입력패턴과 출력패턴으로 하여 신경회로망에 학습시킨 신경회로망 모델(410)을 포함하며, 상기 신경회로망 모델(410)에 기초하여 요구 부하량 및 배터리 SOC별 제1발전기(110)와 제2발전기(120)의 출력 지령값을 산출하고, 산출된 상기 출력 지령값에 기초하여 상기 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력을 제어한다.
물론 제1발전기(110) 및 제2발전기(120)의 출력 제어는 제1엔진(111) 및 제2엔진(121)의 출력을 제어함으로써 달성할 수 있다.
이에 따라 도 4 및 도 5를 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 신경회로망을 적용한 선박용 하이브리드 전기추진시스템을 통해 실시간 변하는 부하 요구량에 제1엔진(111)과 제2엔진(121)의 예측치와 Matlab/Simulink를 이용한 결과치가 거의 유사함을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.
100 : 발전기 110 : 제1발전기
111 : 제1엔진 120 : 제2발전기
121 : 제2엔진 200 : 배터리
300 : 인버터 400 : 제어부
410 : 신경회로망 모델 1000 : 선박용 하이브리드 전기추진시스템

Claims (12)

  1. 전력을 생산하여 출력하는 적어도 하나의 발전부;
    충전된 전력을 공급하는 배터리;
    상기 발전부 및 배터리로부터 필요 전력을 공급받아 추진모터로 공급하는 인버터; 및
    상기 필요 전력을 상기 발전부 및 배터리에 분배하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    선박의 추진모터 요구 부하량 및 배터리 충전상태인 배터리 SOC를 기초로 복수의 제어모드 중 어느 하나를 선택하고,
    상기 선택된 제어 모드를 기초로 상기 발전부 및 배터리의 전력 분담설정을 위한 규칙기반 제어 결과값을 산출하여 상기 발전부 출력을 제어하며,
    상기 발전부는
    회전력을 생산하는 제1엔진 및 제2엔진과,
    상기 제1엔진의 회전력을 통해 전력을 생산하여 출력하는 제1발전기와,
    상기 제2엔진의 회전력을 통해 전력을 생산하여 출력하는 제2발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제어모드는
    상기 배터리의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 배터리모드와,
    제1발전기 및 제2발전기 중 어느 하나의 소정 출력과 상기 배터리의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 경부하모드와,
    상기 제1발전기 및 제2발전기의 소정 출력과 상기 배터리의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 중부하모드 및
    상기 제1발전기 및 제2발전기의 최대 출력과 상기 배터리의 충전 전력으로 필요 전력을 공급하는 최대출력모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 요구 부하량인 P_load, 상기 배터리 SOC에 따른 배터리 충전 전력인 P_batt 및 기설정된 상기 제1엔진 및 제2엔진의 최대 출력인 G_max에 기초하여 상기 복수의 제어모드 중 어느 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    지수 α에 따라 상기 복수의 제어모드 중 어느 하나를 선택하되,
    Figure 112021129558221-pat00010
    인 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    -P_batt_max ≤α< G_min 인 경우 배터리모드를 선택하고, 제1엔진과 제2엔진의 출력을 정지시키고 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
    (여기서 상기 P_batt_max는 배터리의 최대 충전전력, G_min은 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최소 출력)
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    G_min ≤ α < G_max 인 경우 경부하모드를 선택하고, 제2엔진은 정지시키고 제1발전기의 출력은 α가 되도록 제1엔진의 출력을 제어하며, 제1발전기의 출력과 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
    (여기서 상기 G_min은 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최소 출력)
  8. 제5항에 있어서,
    상기 중부하모드는
    G_max ≤ α < G1_opt + G2_opt인 제1중부하모드와,
    G1_opt + G2_opt ≤ α < G1_max + G2_max인 제2중부하모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
    (여기서 상기 G1_opt 및 G2_opt는 각각 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최적 출력, G1_max 및 G2_max는 각각 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최대 출력)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    G_max ≤ α < G1_opt + G2_opt인 경우 제1중부하모드를 선택하고, 상기 제1엔진의 출력은 G1_opt으로 제어하며, 상기 제2엔진의 출력은
    Figure 112021129558221-pat00011
    으로 제어하고, 상기 제1발전기 및 제2발전기의 출력과 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
    (여기서 상기 P_G1_opt는 제1엔진의 출력이 G1_opt일 때 제1발전기의 출력)
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    G1_opt + G2_opt ≤ α < G1_max + G2_max인 경우 제2중부하모드를 선택하고, 제1엔진 및 제2엔진의 출력은
    Figure 112021129558221-pat00012
    으로 제어하며, 제1발전기 및 제2발전기의 출력과 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    G1_max + G2_max ≤ α 인 경우 최대출력모드를 선택하고, 제1엔진 및 제2엔진의 출력은 각각 G1_max 및 G2_max로 제어하며, 제1발전기 및 제2발전기의 출력과 배터리의 충전 전력으로 추진모터의 필요 전력이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
    (여기서 상기 G1_max 및 G2_max는 각각 기설정된 제1엔진 및 제2엔진의 최대 출력)
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 요구 부하량 및 배터리 SOC와, 제1발전기 및 제2발전기의 출력에 대한 규칙기반 제어 결과값을 각각 입력패턴과 출력패턴으로 하여 신경회로망에 학습시킨 신경회로망 모델을 포함하고,
    상기 신경회로망 모델에 기초하여 요구 부하량 및 배터리 SOC별 제1발전기와 제2발전기의 출력 지령값을 산출하고, 산출된 상기 출력 지령값에 기초하여 상기 제1발전기 및 제2발전기의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 하이브리드 전기추진시스템.
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